Расчет необходимого количества печей

Выбор способа производства того или иного сплава зависит от типа применяемого плавильного агрегата. Так, производство ферросплавов силикотермическим способом осуществляется в рафинировочных печах. [1]

В рафинировочных печах с использованием в качестве восстановителя силикохром восстанавливает оксидов хромовой руды в присутствии флюса и (извести) выплавляют низкоуглеродистый феррохром. Для выплавки низкоуглеродистого феррохрома выбирают печи периодическим процессом в наклоняющихся и вращающихся печах мощностью 10,5 МВА. Эти печи оборудованы трансформаторами малой мощности.

Согласно заданной производительностью цеха в 100000 тонн низкоуглеродистого феррохрома в год, проводим расчет производительности печи и их количество в цехе, если принимаемая мощность трансформатора рафинировочной печи равна 10,5 МВА.

Необходимое количество печей в проектируемом цехе определяется заданной объемом производства ферросплавов и установленной мощностью выбранной печи и рассчитывается по выражению:

Если расчетное число печей в цехе превышает восемь, то следует устанавливать печи большей мощности или строить два цеха вместо одного.

Таблица 2.1 - Коэффициенты для расчета производительности рудовосстановительных и рафинировочных электропечей

Вид ферросплавов	W, МВА	Тип электропечи
Низкоуглеродистый феррохром	3,5-10,5	Закрытый рафиноровичный	0,90	0,90	0,95	0,99

Таблица 2.2 - Нормативы номинального времени ферросплавных электропечей

Вид сплава	Номинальная мощность трансформатора, МВА	Режим работы печи	Число номинальных суток работы в году
ФХ010	3,5-10,5	Закрытый	355

Суточная производительность печи:

где, W – мощность трансформатора печи, кВА;

cosφ – средне взвешенный коэффициент мощности печи;

А – удельный расход электроэнергии при выплавке низкоуглеродистого феррохрома кВт∙ч/т;

К – коэффициент использования мощности печи, К=К₁·К₂·К₃;

К₁ – коэффициент загрузки трансформатора;

К₂ – коэффициент использования трансформатора во времени;

К₃ – коэффициент, учитывающий колебания напряжения в питающей сети.

К=0,9·0,95·0,99=0,85

Годовая производительность печи:

П_п = τ_ф·П_пс

где, τ_ф – фактическое время работы печи за год.сут.,τ_ф = τ_н - τ_гп;

τ_н – номинальное время работы печи, 355 сут.;

τ_г.п - длительность горячих простоев для рафинированных печей 1,5 % от календарного времени, сут.

τ _ф = 355 – (1,5·365/100) = 350сут.

Для выплавки низкоуглеродистого феррохрома используют электропечи с мощностью 3,5; 4,5; 5;7,5;10,5 МВА. Рассмотрим несколько вариантов:

1. Суточная производительность одной ферросплавной печи с мощностью трансформатора 4,5 МВА

Годовая производительность одной ферросплавной печи

Необходимое количество ферросплавных печей

2. Суточная производительность одной ферросплавной печи с мощностью трансформатора 7,5МВА

Годовая производительность одной ферросплавной печи

Необходимое количество ферросплавных печей

3.Суточная производительность одной ферросплавной печи с мощностью трансформатора 10,5МВА

Годовая производительность одной ферросплавной печи

Необходимое количество ферросплавных печей

Производительность в 100000 тонн в год можно обеспечить 6 печами с мощностью трансформатора 10,5 МВА.

Описания конструкции печи

Электропечь РКЗ–10,5 относится к типу рафинировочных печей, предназначенных для выплавки низкоуглеродистого феррохрома. [6]

В связи с тем, что реакция восстановления кремнием экзотермические, эти печи оборудуются трансформаторами малой мощности (10,5 МВ·А). Рафинировочные печи работают периодическим процессом с полным проплавлением шихты.

По конструкции печь закрытый и оборудован механизмом вращения ванны и механизмом наклона печи для проведения рафинировочных процессов: быстрота и удобство выпуска металла и шлака облегчает ведения технологического процесса. Общий вид ферросплавной печи для выплавки низкоуглеродистого феррохрома показан на рисунке 2.1.

Электропечь состоит из основных узлов:

- свод печи;

- кожух печи;

- механизм вращения ванны;

- механизм наклона печи;

- электрододержатель, механизм перемещения электродов;

- водяное охлаждение;

- футеровка печи;

- система газоочистки и вентиляции;

- печного трансформатора с короткой сетью.

Рисунок 2.1 – Общий вид ферросплавной печи для выплавки низкоуглеродистого феррохрома

Свод печи.

Свод ферросплавной печи обеспечивает герметичность подсводного пространства. Свод имеет форму усеченного конуса, он опирается на специальные пружинные опоры, установленные на прикрытии рабочей площадки при помощи кронштейнов, приваренных к каркасу свода. [11]

Средняя часть свода опирается при помощи хребтовых балок на внутренние и внешние кольца каркаса свода. На своде имеются смотровые отверстия с крышками, которые служат одновременно предохранительными клапанами.

Конструкция свода разъемная, сварные водоохлаждаемые секции снизу футеруют огнеупорными бетонами следующего состава, %:

Шамотный щебень 34,2

Магнезитовый порошок 22,8

Жидкое стекло 15,2

Кремнефтористый натрий 1,2

Бетон наносится на приваренную к секции металлическую арматуру. Секции собирают в сводовым кольце и подвешивают к девяти кронштейнам, опирающимся на рабочую площадку. Кольцо и кронштейны также охлаждают водой.

Отдельные секции свода друг от друга и свод в целом электрически изолированы. На своде имеются три отверстия для электродов, в которые вставляют водоохлаждаемые воронки из медного сплава или жаропрочного бетона со стальными или чугунными обечайками. Кроме того, на своде имеются два отверстия для установки газоотводов к газоочистке, одно отверстие для отвода газа на свечу грязного газа и шесть отверстий взрывных клапанов. После окончания монтажа свод футеруется сверху легковесным шамотным кирпичом.

Расход воды на охлаждения свода составляет – 150 м^3/ч. Свод ферросплавной печи должен обеспечивать полную герметизацию подсводного пространства, так как образующиеся в процессе проведения восстановительной плавки газы содержат 85 % СО и являются высоко токсичными и взрывоопасными. Для предупреждения взрыва из-за подкоса воздуха работают с положительным давлением под сводом – 5 н/м².

Для предотвращения выбивания газа из-под свода применяют систему уплотнений.

В печах, где шихту загружают через воронку вокруг электрода, роль уплотнителя играет сама шихта. Добиться полной герметизации в этом случае практически невозможно, и на поверхности шихты имеются язычки пламени сгорающей окиси углерода.

Неподвижный свод соединяют с вращающейся ванной печи при помощи песчаного затвора.

Если загрузку шихты ведут по трубам, то для уплотнения электродов на своде служит водяной затвор или сальниковая набивка. Водяное уплотнение состоит из медной цилиндрической коробки, заполненной циркулирующей водой и кругового медного ножа, прикрепленного к электрододержателю. Для обеспечения бесперебойной циркуляции воды нож в крайнем нижнем положении не должен доходить до дна цилиндрической коробки на 100-150мм.

Сухое сальниковое уплотнение быть выполнено путем набивки асбеста, шлаковаты или другого материала в смеси с графитом между двумя водоохлаждаемыми цилиндрами, из которых один крепят к электрододержателю, а другой к своду.

Кожух печи.

Кожух ферросплавной печи должен иметь прочность, так как ему приходится выдерживать массу футеровки, шихты и сплава, а также давление футеровки печи в результате ее теплового расширения при разогреве печи и постепенного ее «роста» который длится годами. [6]

Для придания кожуху жесткости к нему крепятся вертикальные ребра и три-пять горизонтальных поясов жесткости. Ребра и кольца жесткости выполняют из листового и профильного железа.

В закрытых печах роль верхнего пояса жесткости выполняют песчаный или жидкостный затворы. В местах скопления леток кожух устанавливают либо литой стальной плитой, либо дополнительными ребрами жесткости, к которым крепят литую или сварную арматуру летки.

Опыт показывает, что при цилиндрической ванне печи практически не удается избежать деформации кожуха. Для печей с вращающейся ванной, где деформация кожуха особенно нежелательна, нужно придавать кожуху конусность порядка 8-100. В этом случае расширяющаяся во время работы печи футеровка несколько переместится вверх по внутренней поверхности кожуха, в результате чего несколько уменьшится давление футеровки на кожух.

Кожух выполняют клепаным или сварным из листовой стали толщиной 15-25 мм. Для удобства транспортировки кожух изготавливают из отдельных секций, монтируемых на месте клепкой или сварной. Хорошие результаты дает сборка кожуха на болтах, причем последние затягиваются до постоянного натяжения. В начальный период службы кожуха болты, затянутые слишком туго, часто разрываются, однако при периодической проверке натяжения болтов можно добиться равномерного распределения напряжений.

Чтобы кожух был герметичным, между секциями и между днищем устанавливают асбестовые прокладки, предохраняющие угольную футеровку от выгорания из-за подсоса воздуха.

Днище кожуха может быть сферическим, коническим и плоским. Сферическое днище дает наибольшую жесткость кожуха и наименьшее мертвое пространство, т.е. уменьшает объем футеровки, но оно сложно в изготовлении и поэтому чаще применяют более простые в изготовлении кожухи с коническим днищем. Такие кожухи выполняют для печей, работающих с наклоном ванны, где требуется повышенная прочность кожуха.

Наиболее широко распространены плоские днища, отличающиеся простотой изготовления и достаточной прочностью для условий службы ферросплавных печей, так как они опираются на раму из параллельно установленных двутавровых балок или швеллеров, закрепленных на фундаменте печи или на плите механизма вращения ванны.

Мощные трехфазные печи с круглой ванной. Работающие на выплавке сплавов непрерывным процессом, имеют 1-2, а иногда и 3 летки. При этом чаще всего одна летка является рабочей, а остальные – резервными. В тех случаях, когда необходим раздельный выпуск сплава и шлака, имеются две летки, расположенные на разных уровнях – металлическая и шлаковая.

Установка кожуха ванны печи на колосник позволяет наблюдать за состоянием подины печи, предупреждать ее перегрев и возможное в связи с этим разрушение. Такая конструкция позволяет также производить охлаждение подины печи воздухом, нагнетаемым вентилятором. Обдувка днища кожуха целесообразна и для наклоняющихся рафинировочных печей.

Футеровка печи.

Конструкция и качество футеровки во многом определяют технико-экономические показатели производства ферросплавов.

Огнеупорные материалы для футеровки печи определяются технологией выплавки сплава, характером шлака и составом сплава. Для ферросплавных печей является и то, что фактическим рабочим слоем футеровки печи является гарнисаж (слой, образованный из проплавляемой шихты, восстановленной до различной степени, остатков футеровки и сплава). [6]

При выборе материала футеровки, диаметра плавильного пространства, диаметра электрода и диаметра их распада часть гарнисажа, обращенная к плавильному тиглю, участвует в процессах восстановления и непрерывно обновляется, а прилегающая к футеровке надежно защищает ее от разрушения. Поэтому поддержание в ванне слоя гарнисажа является важной задачей.

Для уменьшения потерь тепла в качестве теплоизоляции, кроме обычного шамота, на облицовке стен ванны может быть использован легковесный шамот доломитовая засыпка. Для выхода паров и газов при разогреве печи в облицовке оставляют вертикальные каналы (зазоры), которые затем засыпают шамотной крупой. На кирпич укладывают слой толщиной 50-70 мм хорошо разогретой подовой массы (электродная масса с температурой размягчения ~420 °С) и по нему угольные блоки в два-три ряда. Между блоками оставляют швы в 50-75 мм, которые тщательно набивают подовой массой при помощи пневматических трамбовок. Для уменьшения числа швов желательно выполнять футеровку из длинных (1,5-2,5 м) блоков, несмотря на значительное усложнение их монтажа. Чтобы предохранить угольные блоки от окисления, в период разогрева печи внутреннюю поверхность печи обкладывают 65 мм слоем кирпича.

Футеровку для наклоняющихся печей – футеруют магнезитовым кирпичом. Подину выкладывают из 12-13 рядов кирпича на ребро. Использование особо плотного магнезитового кирпича повышает стойкость футеровки с 24 до 40 суток.

При угольной футеровке недопустим малейший подсос воздуха, так как он неминуемо приведет к быстрому выгоранию угольных блоков, активно окисляющихся, при температурах порядка 5270 °С.

Недопустима работа при недостатке восстановителя, приводящая к разрушению гарнисажа и, следовательно, к прогару футеровки (чаще в районе летки). Распространенной причиной аварийной работы передней стенки печи является несовременный или недоброкачественный ремонт набивной арки, а также неглубокое (вблизи кожуха ванны) перекрытие выпускного канала летки.

Повышение стойкости футеровки рафинировочных печей достигается благодаря использованию магнезитового кирпича повышенной плотности, созданию на подине постоянного предохранительного слоя сплава (путем ограничения угла наклона в наклоняющихся печах), образованию устойчивого гарнисажа при правильном выборе диаметра ванны, недопущению перегревов ванны, тщательной заправке стен и охлаждению футеровки воздухом. Важнейшей операцией, во многом определяющей технико-экономические показатели работы печи и срок службы футеровки, является сушка и разогрев.

Продолжительность сушки и разогрева печи определяется временем, необходимым для достижения нормальной производительности и нормального удельного расхода электроэнергии. До включения печи в течение 2-3 суток производится сушка коксом.

Разогрев рафинировочной печи с наклоняющейся и вращающейся ванной ведут по этой последовательностью. Перед включением печи подину и относы заправляют известью и в печь заливают ковш жидкого шлака. Печь включают при рабочем напряжении 346 В, затем при устойчивой дуге печь переключают на 260 В. Для равномерного перегрева подины и стенок печь поворачивают через каждые 10-15 мин на 30-400. После достижения полной мощности в печь заваливают руды и извести и в расплав задают силикохрома и сливают шлак.

После выпуска шлака в печь задают руды и извести и производят рафинировку сплава при расходе электроэнергии ~6000 кВт. Далее печь работает на нормальной шихтовке, но с повышенным расходом электроэнергии на плавку. Общая продолжительность разогрева печи в этом случае составляет ~10 сут.

Наклоняющиеся печи.

Наклоняющиеся печи имеют ряд преимуществ перед неподвижными для проведения рафинировочных процессов: благоприятные условия для выпуска сплава и шлака, удобство надзора и ремонта футеровки печи и.т.д.

Конструктивно печи могут быть выполнены таким образом, что наклоняется только ванна печи. Иногда для того, чтобы можно было осуществлять подогрев расплава в печи и при выпуске, делают печи с одновременным наклоном и ванны печи и электродов. [6]

Рафинировочные печи с вращением ванны имеют следующие преимущества:

– предотвращается перегрев ванны вокруг электродов;

– обеспечивается более равномерное распределение тепла в шихте;

– удлиняется срок службы футеровки, обычно локализованные у электродов;

– улучшается технико-экономические показатели производства.

Такие печи часто снабжают приспособлениями для непрерывной нагрузки шихты, которые позволяют осуществить непрерывную подачу шихтовых материалов равномерным слоем по определенной площади поверхности ванны печи.

Электрододержатель. Механизм перемещения электродов.

Электрододержатель состоящий из электродного зажима с контактными ценами и несущего цилиндра, должен обеспечивать надежность зажатия и подвески электрода и его перемещение с требуемой скоростью, надежность и удобство перепуска электрода, минимальные потери электроэнергии, надлежащий тепловой режим обжига самообжигающихся электродов. [6]

Электродный зажим состоит из кольца, контактных щек и механизма их зажима. Контактные щеки служат для подвода рабочего тока к электродам. Высокая температура колошника и возможность попадания пыли и электродной массы между элкетродом и ценой ухудшают условия работы контакта щека – электрод и самих щек, поэтому обычно для изготовления щек применяют хорошо электро- и теплопроводные электролитическую медь или медные сплавы. Для обеспечения водяного охлаждения щеки изготавливают пустотелыми или с залитыми в них медными или стальными трубами, а также из прокатных плит с высверленными или простроганными каналами для охлаждения. Щеки при помощи изолирующих подвесок крепят к нижнему кольцу несущего цилиндра. В прежних конструкциях печей широкое распространение получили кольцевые пружинные зажимы, состоящие из кольца, пружинного зажима и токоподводящих контактных щек.

Кольцо состоит из двух полуколец, соединенных стальными пальцами с надетыми на них бронзовыми втулками (для разрыва магнитного контура). Полукольца представляют собой пустотелые сварные или литые стальные коробки, в полостях которых размещены пружинные зажимы.

Число зажимов соответствует числу щек и составляет для малых печей до четырех и для больших от шести до десяти. Нажатие на щеку осуществляется одной-двумя пружинами, давление которых на щеку передается при помощи подвижного упора.

Кольцо электродного зажима при помощи трубчатых водохлаждаемых подвесок крепится к нижнему кольцу несущего цилиндра, изготовляемого из листового железа толщиной 10-16 мм и охватывающего электрод по его высоте. Несущий цилиндр выполняет несколько функций: подвеску и перемещение электрода и электродного зажима; обеспечение заданных условий коксования электродной массы; установление хорошего контакта щека-электрод путем обдува электрода воздухом, нагнетаемым в просвет между несущим цилиндром и электродом, что предохраняет поверхность электрода выше щек от запыления.

К нижним части несущего цилиндра крепятся водоохлаждаемые щитки и траверса, к которой подвещиваются подвижной башмак и медные токопроводящие трубы. На верхнем конце несущего цилиндра укреплена траверса, к которой крепятся устройства для перемещения по вертикали и перепуска электродов.

Конструкция подвеса и перемещения электрода должна принять массу электрода и электродержателя, часто достигающую 30-50 т, а иногда и более, надежно удерживать их над печью и обеспечивать перемещение электрода вверх и вниз с необходимой скоростью.

По мере сгорания электрода возникает необходимость перепускать его, т.е. удлинять рабочий конец. Применяемое для этого пружинно-гидравлическое устройство крепится на траверсе гидроподъемника или на раме верхнего конца несущего цилиндра. Оно имеет верхнее и нижнее кольца одинаковой конструкции. Зажатие электрода в кольце осуществляется пружинами, отжатие кольца – гидравлическим цилиндром. Нормально, т.е. когда электрод не перепускают, он зажат одновременно верхним и нижним кольцами. Для осуществления перепуска разжимается нижнее кольцо. Электрод вместе с верхним кольцом опускается вниз. После этого вновь зажимают в нижнем кольце и затем разжимают верхнее. Освобожденное верхнее кольцо тремя гидравлическими домкратами возвращают в исходное положение и снятием давления с гидроцилиндров верхнего кольца, возвращают систему в исходное положение. Главным преимуществом устройства этой конструкции является возможность дистанционного управления операцией перепуска электродов и отсутствие приваренных к кожуху электрода лент, что обеспечивает более гладкую поверхность электрода, т.е. лучший контакт щека–электрод. Перепуск производят без отключения печи.

Водяное охлаждение.

Температура в зоне работы электродержателя на рудовосстановительных печах достигает 4000 °С, а в случае образования «свищей» может подниматься до 10000 °С. Поэтому для нормальной работы электродержателя и токопровода необходимо их охлаждение. [6]

На закрытых печах дополнительно имеются цепи водяного свода, загрузочных воронок, водяного затвора и газоотвода, цепи охлаждения свода и загрузочных воронок должны работать на химически очищенной воде.

Воду подают из распределительной колонки и каждую питающую ветвь снабжают вентилем для регулировки расхода воды. На участок гибких мин воду подают и отводят через резиновые шланги, защищенные изоляцией из асбестового шнура. Общий расход воды на печь достигает 5-8 м³/ч на 1000 кВА установленной мощности трансформатора.

Чтобы избежать образования накипи на стенках охлаждаемых деталей и трубопроводов, температуру охлаждающей воды необходимо поддерживать не более 900 °C. Желательна химическая подготовка воды стабилизирующими добавками. Если по экономическим соображениям стабилизация не может быть применена, а жесткость воды высока, то следует снизить температуру на выходе из системы водоохлаждения до 400 °С. Для предотвращения механического загорания системы водоохлаждения (песком, илом, щекой и т.п.) перед подачей в систему воду необходимо фильтровать.

Давление воды на питающих ветвях должна составлять 3 атм.

На рафинировочных печах водоохлаждаемыми являются щеки, электродный зажим и несущий рукав или каретка. В отдельных случаях водяное охлаждение арки рабочего окна и сводовой площадки.

Водяное охлаждение уменьшает тепловое расширение электрододержателя и защищает его от чрезмерного перегрева, который разрушает контактную поверхность и может вызвать поломку электрододержателя из-за понижения механической прочности или возникновения термических напряжений.

Устройство для прожига и заделки лётки.

В большинстве случаев при вскрытии лётку « прожигают » электрической дугой, пользуясь специальным аппаратом. Этот аппарат подключён к одной из фаз печного трансформатора на напряжение между фазой и подиной печи или (реже) питается от специального трансформатора. Лётку прожигают железным прутом или электродом. Также широко применяют кислородный прожиг, а в последнее время стали практиковать разделку лётки, просверливая её буром. [6]

Для механизированной разделки лётки пользуются пневмопушкой или машиной с электромеханическим приводом, которые выдавливают предназначенную для заделки лётки массу непосредственно в леточный канал.

Система газоочистки.

Процесс выплавки ферросплавов сопровождается интенсивным выделением в атмосферу тепла, пыли и газов: [6]

– удельное тепловыделение, кДж/м³·сек (ккал/м³·ч) 0,23(200)

– температура воздуха на колошниковой площадке, ⁰С 43 – 45

– интенсивность излучения около печи, кДж/м²·сек 7-12,6 (10-18)

На закрытых печах успешно используют мокрую схему газоочистки, состоящую из скруббера, трубы-распылителя и центробежного водоотделителя. Эксплуатация газоочисток такого типа показала высокую степень очистки (остаточная запыленность (6-30 мг/м³)) газа и надежность в работе. Недостатком такой системы являются высокие эксплуатационные расходы. Для очистки газов открытых печей часто применяют более громоздкие и дорогие тканевые (рукавные) фильтры.

Отходящие газы ферросплавных печей состоят в основном из окиси углерода, сгорающей на колошнике печи в избытке воздуха в углекислый газ. Соотношение количества воздуха и печных газов в газовоздушной смеси составляет около 100:1. Запыленность газовоздушной смеси составляет 0,4-2·10^-3 кг/м³, причем при выплавке некоторых ферросплавов в пыли содержатся вредные компоненты: CrO₃, SO₄, MnO и др.

При наличии в печных газах пыли дорогостоящих элементов (молибдена, вольфрама) для ее улавливания используют электрофильтры.

Их также успешно используют для очистки газов рафинировочных печей. Такие фильтры, как и рукавные, значительно дороже, но требуют меньших эксплуатационных затрат и позволяют успешно использовать улавливаемую пыль.

При выплавке низкоуглеродистого феррохрома для отбора и очистки отходящих газов и пыли применяют тканевый фильтр фирмы «Флект» (Швеция).